太阳能无人机电力系统能流分析装置和方法制造方法及图纸

本申请公开了太阳能无人机电力系统能流分析装置和方法。根据本申请提出的方案，通过给定飞行工况条件，可以用于计算电力系统能流状态。将该方法结合计算机仿真技术，针对太阳能无人机，可实现大量飞行工况、复杂电力系统网络拓扑的快速计算和准确特性分析。网络拓扑的快速计算和准确特性分析。网络拓扑的快速计算和准确特性分析。

【技术实现步骤摘要】
太阳能无人机电力系统能流分析装置和方法


[0001]本申请涉及太阳能无人机领域，具体地，涉及太阳能无人机电力系统能流分析装置和方法。

技术介绍

[0002]太阳能无人机电力系统具有高可靠、高功率密度的特点。通过追求尽可能低损耗，提高无人机夜间蓄电池剩余电能，以满足跨夜及长航时飞行。然而，为实现太阳能无人机搭载各类载荷的需求，常需要设计大尺度翼展无人机，其供电回路距离长，线缆阻抗大，压降、线损高。同时，由于无人机由太阳能和蓄电池联合供电，太阳能供电功率受实时天气、机翼变形等因素影响，导致供电功率实时变化，使供电系统工况更为复杂。
[0003]较大的线阻加之骤变的系统输入功率条件，可能引起蓄电池充/放电电流突变，用电设备电压突变等情况，直接影响用电设备的安全运行。因此，为设计安全可靠的无人机电力系统，需要针对无人机典型飞行工况展开电力系统能流分析，得到电力系统中各支路功率、电流特性，各设备节点电压、功率特性，用于指导电设备指标参数设计，分析验证电力系统功能和性能。
[0004]太阳能无人机作为一种新兴无人飞行器，发展时间较短，且仍处于研发阶段。针对该类无人机，尚无较为完善的设计、分析方法。而现阶段已采用、可参考的设计、分析方法多数针对飞行器总体参数设计，气动、飞行控制、能源、动力等系统的设计分析。针对该类无人机电力系统网络拓扑的设计方法，仍大多依赖工程经验，尚无行之有效的能流分析方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本申请提出了一种基于网络拓扑的太阳能无人机电力系统能流分析装置，本申请还提出了采用该装置进行能流分析的方法。
[0006]本申请提出了一种太阳能无人机电力系统能流分析装置，包括输入条件模块、太阳能电池模型模块、线缆阻抗模型库、螺旋桨模型模块、电动机模型模块、配电系统模型模块、蓄电池模型模块、线缆拓扑模型模块、拓扑模型求解模块、输出结果模块，其中：
[0007]所述输入条件模块用于给定待分析工况输入条件，包括飞行环境条件、飞行姿态工况条件、用电设备工况条件；
[0008]所述太阳能电池模型模块与所述输入条件模块连接，用于根据所述飞行环境条件、所述飞行姿态工况条件计算太阳能电池发电功率；
[0009]所述线缆阻抗模型库与所述输入条件模块连接，用于根据所述飞行环境条件得到所述电力系统中各支路线缆阻抗；
[0010]所述螺旋桨模型模块与所述输入条件模块连接，用于根据所述飞行环境条件计算螺旋桨负载扭矩；
[0011]所述电动机模型模块分别与所述输入条件模块和所述螺旋桨模型模块连接，用于根据所述飞行环境条件和所述螺旋桨的负载扭矩计算电动机用电功率；
[0012]所述配电系统模型模块与所述输入条件模块连接，用于根据所述用电设备工况条件计算所述配电系统用电功率；
[0013]所述蓄电池模型模块与所述输入条件模块连接，用于根据所述用电设备工况条件计算蓄电池电压；
[0014]所述线缆拓扑模型模块用于表示所述电力系统的网络拓扑，所述线缆拓扑模型模块分别与所述太阳能电池模型模块、所述线缆阻抗模型库、所述电动机模型模块、所述配电系统模型模块、所述蓄电池模型模块连接；
[0015]所述拓扑模型求解模块与所述线缆拓扑模型模块连接，用于基于所述网络拓扑进行迭代求解以计算稳态电路状态信息；
[0016]所述输出结果模块与所述拓扑模型求解模块连接，用于将所述稳态电路状态信息与电气物理参数相关联，得到针对所述电力系统的能流分析。
[0017]在一些可能的实施方式中，所述飞行环境条件包括时间、经度、纬度、高度、温度、气压；所述飞行姿态工况条件包括俯仰角、滚转角、航向角；所述用电设备工况条件包括电动机转速、蓄电池容量、配电系统用电模式。
[0018]在一些可能的实施方式中，所述螺旋桨模型模块、所述电动机模型模块、所述配电系统模型模块、所述蓄电池模型模块中的部分或全部是基于机理建模得到的设备描述数学模型，或者是基于试验测量得到的数据模型。
[0019]在一些可能的实施方式中，所述线缆拓扑模型模块采用基于改进型节点电压法建立的拓扑模型矩阵方程来表示所述电力系统的网络拓扑。
[0020]在一些可能的实施方式中，所述稳态电路状态信息包括所述电力系统的各节点电压、各设备和线缆的支路电流以及线缆损耗。
[0021]本申请还提出了一种采用如上所述的太阳能无人机电力系统能流分析装置分析太阳能无人机电力系统能流的方法，包括：
[0022]步骤1，计算过程初始化，包括所述待分析工况输入条件初始化、所述拓扑模型求解模块的迭代初始值初始化，蓄电池电压计算初始值初始化；
[0023]步骤2，根据所述输入条件模块给定的所述待分析工况输入条件，通过所述螺旋桨模型模块和所述配电系统模型模块计算太阳能电池发电功率、螺旋桨负载扭矩、配电系统用电功率；
[0024]步骤3，根据所述螺旋桨负载扭矩，通过所述电动机模型模块计算电动机用功率；
[0025]步骤4，根据蓄电池电压计算初始值，通过所述拓扑模型求解模块与所述线缆拓扑模型模块计算蓄电池充/放电电流，并经蓄电池容量电压模型与蓄电池容量条件计算下一次迭代蓄电池的电压值，直至蓄电池节点电压收敛；
[0026]步骤5，通过所述拓扑模型求解模块与所述线缆拓扑模型模块计算所述稳态电路状态信息，具体地先基于输入的飞行环境条件查询线缆阻抗模型库，得到所述电力系统中各支路线缆阻抗；然后迭代求解拓扑模型矩阵方程，直至计算收敛，以得到所述稳态电路状态信息；
[0027]步骤6，求解完成后，将所述稳态电路状态信息与其对应实际物理含义关联，以得到所述电力系统的电气物理参数。
[0028]在一些可能的实施方式中，所述方法还包括通过下列步骤得到所述线缆阻抗模型
库：
[0029]选择电力系统拓扑线缆设计常用型号线缆，并截取单位长度；
[0030]在气压温度试验箱内，对待测线缆采用恒流源注入方式，测量各型号线缆在不同直流电流、气压、环境温度下的线缆阻抗值，其中，所述直流电流、所述气压、所述环境温度的范围均包络飞行工况剖面；
[0031]基于测量结果，建立所述线缆阻抗模型库。
[0032]在一些可能的实施方式中，所述方法还包括通过下列步骤得到所述线缆拓扑模型模块：
[0033]根据每个节点和每条支路的关联关系，列写节点对支路的增广关联矩阵[A]；
[0034]经公式[Ge]＝[A]×
[G]×
[A]T
，[G]为各支路导纳对角矩阵，计算得到N阶拓扑导纳矩阵，N为整个网络拓扑的节点数，拓扑导纳矩阵Ge表征各设备节点线缆阻抗及连接关系；
[0035]采用改进节点电压法约束拓扑中全部设备关系，得到拓扑模型矩阵方程：[Ge]×
[V]＝[I]+[U]×
[Yu]，其中，[V]为拓扑中各节点相对于电压参考点的电压的矩阵，[I]为拓扑中各支路设备等效电流源矩阵，[U]为拓扑中各电压源支路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种太阳能无人机电力系统能流分析装置，其特征在于，包括输入条件模块、太阳能电池模型模块、线缆阻抗模型库、螺旋桨模型模块、电动机模型模块、配电系统模型模块、蓄电池模型模块、线缆拓扑模型模块、拓扑模型求解模块、输出结果模块，其中：所述输入条件模块用于给定待分析工况输入条件，包括飞行环境条件、飞行姿态工况条件、用电设备工况条件；所述太阳能电池模型模块与所述输入条件模块连接，用于根据所述飞行环境条件、所述飞行姿态工况条件计算太阳能电池发电功率；所述线缆阻抗模型库与所述输入条件模块连接，用于根据所述飞行环境条件得到所述电力系统中各支路线缆阻抗；所述螺旋桨模型模块与所述输入条件模块连接，用于根据所述飞行环境条件计算螺旋桨负载扭矩；所述电动机模型模块分别与所述输入条件模块和所述螺旋桨模型模块连接，用于根据所述飞行环境条件和所述螺旋桨的负载扭矩计算电动机用电功率；所述配电系统模型模块与所述输入条件模块连接，用于根据所述用电设备工况条件计算所述配电系统用电功率；所述蓄电池模型模块与所述输入条件模块连接，用于根据所述用电设备工况条件计算蓄电池电压；所述线缆拓扑模型模块用于表示所述电力系统的网络拓扑，所述线缆拓扑模型模块分别与所述太阳能电池模型模块、所述线缆阻抗模型库、所述电动机模型模块、所述配电系统模型模块、所述蓄电池模型模块连接；所述拓扑模型求解模块与所述线缆拓扑模型模块连接，用于基于所述网络拓扑进行迭代求解以计算稳态电路状态信息；所述输出结果模块与所述拓扑模型求解模块连接，用于将所述稳态电路状态信息与电气物理参数相关联，得到针对所述电力系统的能流分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述飞行环境条件包括时间、经度、纬度、高度、温度、气压；所述飞行姿态工况条件包括俯仰角、滚转角、航向角；所述用电设备工况条件包括电动机转速、蓄电池容量、配电系统用电模式。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺旋桨模型模块、所述电动机模型模块、所述配电系统模型模块、所述蓄电池模型模块中的部分或全部是基于机理建模得到的设备描述数学模型，或者是基于试验测量得到的数据模型。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线缆拓扑模型模块采用基于改进型节点电压法建立的拓扑模型矩阵方程来表示所述电力系统的网络拓扑。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述稳态电路状态信息包括所述电力系统的各节点电压、各设备和线缆的支路电流以及线缆损耗。6.一种采用如权利要求1
‑
5中任意一者所述的太阳能无人机电力系统能流分析装置分析太阳能无人机电力系统能流的方法，其特征在于，包括：步骤1，计算过程初始化，包括所述待分析工况输入条件初始化、所述拓扑模型求解模块的迭代初始值初始化，蓄电池电压计算初始值初始化；
步骤2，根据所述输入条件模块给定的所述待分析工况输入条件，通过所述螺旋桨模型模块和所述配电系统模型模块计算太阳能电池发电功率、螺旋桨负载扭矩、配电系统用电功率；步骤3，根据所述螺旋桨负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：任素萍，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：